Курт Вютрих (1/2 премии) «За разработку применения ЯМР-спектроскопии для определения трехмерной структуры биологических макромолекул в растворе»

ТЕКСТ 1

 

Кислород — самый распространённый элемент земной коры. В свободном состоянии он находится в атмосферном воздухе, в связанном виде входит в состав воды, минералов, горных пород и всех веществ, из которых построены организмы растений и животных. Общее количество кислорода в земной коре близко к половине её массы (около 47%).

Кислород был впервые получен в чистом виде шведским химиком К.В.Шееле (1742—1786) в 1772 г., а затем в 1774 г. английским естествоиспытателем Д. Пристли (1733—1804), который выделил его из оксида ртути. Однако Пристли не знал, что полученный им газ входит в состав воздуха.  Только спустя несколько лет французский химик А. Лавуазье (1743—1794), подробно изучивший свойства этого газа, установил, что он является составной частью воздуха.

В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха. В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства, поставляемым в стальных баллонах под давлением около 15 МПа. Важнейшим лабораторным способом его получения служит электролиз водных растворов щелочей. Небольшие количества кислорода можно также получать взаимодействием раствора перманганата калия с подкисленным раствором пероксида водорода или термическим разложением некоторых кисло­родсодержащих веществ.

 

ТЕКСТ 2

 

Важнейшей особенностью основной проблемы химии является то, что она имеет всего четыре способа решения вопроса, так как свойства вещества зависят от четырех факторов: 1) от элементного и молекулярного состава вещества; 2) от структуры молекул вещества; 3) от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции; 4) от уровня химической организации вещества. Поскольку эти способы появлялись последовательно, мы можем в истории химии выделить четыре последовательно сменявших друг друга этапа ее развития. В то же время с каждым из названных способов решения основной проблемы химии связана своя концептуальная система знаний. Эти четыре концептуальных системы знания находятся в отношениях иерархии (субординации). В системе химии они являются подсистемами, так же как сама химия представляет собой подсистему всего естествознания в целом. Современную картину химических знаний объясняют с позиций четырех концептуальных систем, которые схематично представлены на рис. I. рис. 3 На рисунке показано последовательное появление новых, концепций в химической науке, которые опирались на предыдущие достижения, сохраняя в себе все необходимое для дальнейшего развития. Даже невооруженным взглядом в этих этапах видна симметрия этапов.

 В левой части тождества отношение отражает структурный аспект эволюции химии, правая часть тождества, напротив, отражает уже функциональный (процессы) аспект эволюции химии.

 

ТЕКСТ 3

 

Мы не случайно начинаем изучение химии важнейших элементов с кислорода. Кислород – действительно важнейший элемент. Его химия тесно связана практически со всеми элементами Периодической системы, поскольку с каждым из них кислород образует те или иные соединения. Исключение составляют только легкие инертные газы – гелий, неон, аргон.

Есть и еще одна важная причина. Кислород играет исключительную роль в существовании на Земле жизни и всей человеческой цивилизации. На поверхности планеты – в земной коре – связанный кислород является самым распространенным элементом. В составе минералов, в виде соединений с другими элементами он составляет 47 % от массы земной коры!

В атмосфере Земли кислород находится в свободном (не связанном) состоянии: здесь его 21 % по объему или 23 % по массе.

Преобладание кислорода среди других элементов в атмосфере и земной коре нашей планеты не может оказаться случайным. Вероятно, это явление связано с возникновением и развитием жизни. В атмосфере молодой Земли кислорода практически не было. Основная масса первичной атмосферы приходилась на диоксид углерода CO₂. Оставшуюся часть составляли газы, которые и сейчас выделяются из недр при вулканической деятельности. Главным образом это пары воды (Н₂О), хлористый водород (HCl), монооксид углерода (СО), азот (N₂), сероводород (H₂S) и другие.

Основная масса кислорода в атмосфере планеты возникла только после появления на Земле первых фотосинтезирующих одноклеточных организмов – прокариот, известных под названием «сине-зеленые водоросли». Процесс этот начался около 2 млрд. лет тому назад. Под действием солнечного света (отсюда название – фотосинтез) прокариоты усваивали из углекислого газа углерод и кислород. Из воды они усваивали только водород, одновременно выделяя в атмосферу свободный кислород в качестве побочного продукта жизнедеятельности.

Прокариоты не нуждались в свободном кислороде. Такой тип бескислородного "дыхания" называется анаэробным. Возможно, кислород нужен был прокариотам и как средство борьбы с анаэробными бактериями-конкурентами. Кислород накапливался в атмосфере и реагировал с элементами и их соединениями, находящимися на поверхности и в атмосфере молодой Земли.    

Постепенно кислорода стало в атмосфере так много, что анаэробные бактерии уступили место другим существам с аэробным (кислородным) типом дыхания. Аэробные организмы используют для дыхания не СО₂, а молекулярный кислород. Вплоть до нашего времени длится геологическая эпоха, когда огромные количества кислорода постоянно расходуются на дыхание живых существ и горение.

Задание 69.Решите тестовые задания по определению дополнительной информации на уровне предложения.

 

1. Определите функцию дополнительной информации в предложении:

Известно, например, несколько веществ, образованных всего из двух видов атомов: атома кислорода и атома водорода.

1. резюмирующая.

2. дублирующая.

3. иллюстрирующая.

4. конкретизирующая.

5. вводная

 

2. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Молекулы, таким образом, разрушаются, а атомы сохраняются.

1. резюмирующая.

2. дублирующая.

3. иллюстрирующая.

4. конкретизирующая.

5. вводная

 

3. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Прежде всего, в отличие от кристаллов, жидкости изотропны, т.е. их физические свойства одинаковы в различных направлениях.

1. резюмирующая.

2. дублирующая.

3. иллюстрирующая.

4. конкретизирующая.

5. вводная

 

4. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Таким образом, в структурном отношении для жидкости характерно наличие лабильного (подвижного) равновесия, обусловленного относительной свободой перемещения частиц.

1. резюмирующая.

2. дублирующая.

3. иллюстрирующая.

4. конкретизирующая.

5. вводная

 

5. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Вблизи температуры плавления жидкость имеет квазикристаллическое строение, т.е. имеет много общих черт с твердым телом.

1. резюмирующая.

2. дублирующая.

3. иллюстрирующая.

4. конкретизирующая

5. вводная

 

6. Определите тип дополнительной информации в предложении.

К тому же атомы металлов характеризуются невысокой энергией ионизации – валентные электроны слабо удерживаются в атоме, т.е. легко перемещаются по всему кристаллу.

1. резюмирующая.

2. дублирующая.

3. иллюстрирующая.

4. конкретизирующая.

5. вводная

 

7. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Иначе говоря, в металлах имеет место сильно делокализованная химическая связь.

1. резюмирующая.

2. дублирующая.

3. иллюстрирующая.

4. конкретизирующая.

5. вводная

 

8. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Например, механическая форма движения может переходить в электрическую, электрическая – в тепловую и т.п.

1. конкретизирующая.

2. резюмирующая.

3. дублирующая.

4. иллюстрирующая.

5. вводная.

 

9. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Сочетание разных атомов дает сложное вещество, т.е. химическое соединение.

1. конкретизирующая.

2. резюмирующая.

3. дублирующая.

4. иллюстрирующая.

5. вводная.

 

10. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Органическая химия – химия соединений углерода, в частности, таких, которые входят в состав тканей растений и животных.

1. конкретизирующая.

2. резюмирующая.

3. дублирующая.

4. иллюстрирующая.

5. вводная.

 

11. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Например, в молекуле водорода электроны в равной мере движутся около обоих атомов: молекула Н₂ неполярна.

1. резюмирующая.

2. дублирующая.

3. иллюстрирующая.

4. конкретизирующая.

5. вводная

 

12. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Таким образом, в растворе амфотерного электролита существует сложное равновесие.

1. резюмирующая.

2. дублирующая.

3. иллюстрирующая.

4. конкретизирующая.

5. вводная

 

13. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Следовательно, число выделившихся атомов меди всегда будет вдвое меньше числа выделивших атомов хлора.

1. резюмирующая.

2. дублирующая.

3. иллюстрирующая.

4. конкретизирующая.

5. вводная

 

14. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Согласно протонной теории, кислотой является донор протона, т.е. частица (молекула или ион), которая способна отдавать ион водорода – протон, а основанием – акцептор протона, т.е. частица (молекула или ион), способная присоединять протон.

1. резюмирующая.

2. дублирующая.

3. иллюстрирующая.

4. конкретизирующая.

5. вводная

 

15. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

В частности, при этом можно получить значения констант диссоциации сильных кислот.

1. резюмирующая.

2. дублирующая.

3. иллюстрирующая.

4. конкретизирующая

5. вводная

 

16. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Как уже говорилось, нейтрализация любой сильной кислоты любым сильным основанием сопровождается одним и тем же тепловым эффектом.

1. конкретизирующая.

2. резюмирующая.

3. дублирующая.

4. иллюстрирующая.

5. вводная.

 

17. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Так, относительная электроотрицательность фосфора равна 2,2, а йода 2,6.

1. конкретизирующая.

2. резюмирующая.

3. дублирующая.

4. иллюстрирующая.

5. вводная.

 

18. Определите функцию дополнительной информации при использовании сигналов: или, то есть, иными словами

1. конкретизирующая.

2. резюмирующая.

3. дублирующая.

4. иллюстрирующая.

5. вводная.

 

19. Определите тип дополнительной информации в предложении.

Известно, например, несколько веществ, образованных всего из двух видом атомов: атомов кислорода и атомов водорода.

1. резюмирующая.

2. дублирующая.

3. иллюстрирующая.

4. конкретизирующая.

5. вводная

 

20. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Иначе говоря, равновесие между молекулами воды и ионами сильно смещено в сторону образования молекулы.

1. конкретизирующая.

2. резюмирующая.

3. дублирующая.

4. иллюстрирующая.

5. вводная.

 

21. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Так, оксидная пленка на алюминии делает этот металл стойким не только в воде, но и в растворах некоторых кислот.

1. резюмирующая.

2. дублирующая.

3. иллюстрирующая.

4. конкретизирующая.

5. вводная

 

22. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

В частности, константа диссоциации циановодорода много меньше, чем уксусной кислоты.

1. резюмирующая.

2. дублирующая.

3. иллюстрирующая.

4. конкретизирующая.

5. вводная

 

23. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Таким образом, в насыщенном растворе электролита произведение концентраций его ионов есть величина постоянная при данной температуре.

1. резюмирующая.

2. дублирующая.

3. иллюстрирующая.

4. конкретизирующая.

5. вводная

 

24. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Следовательно, окислителями могут быть прежде всего соединения высших, а восстановителями – низших степеней окисленности, присущих данному элементу.

1. резюмирующая.

2. дублирующая.

3. иллюстрирующая.

4. конкретизирующая

5. вводная

 

25. Определите тип дополнительной информации в предложении.

Как уже указывалось, реакции нейтрализации сильных кислот сильными основаниями, в ходе которых ионы водорода и гидроксид-ионы соединяются в молекулу воды, протекают практически до конца.

1. резюмирующая.

2. дублирующая.

3. иллюстрирующая.

4. конкретизирующая.

5. вводная

 

26. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Например, в молекуле водорода электроны в равной мере движутся около обоих атомов: молекула Н₂ неполярна.

1. резюмирующая.

2. дублирующая.

3. иллюстрирующая.

4. конкретизирующая.

5. вводная

 

27. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Следовательно, окислителями могут быть прежде всего соединения высших, а восстановителями – низших степеней окисленности, присущих данному элементу.

1. резюмирующая.

2. дублирующая.

3. иллюстрирующая.

4. конкретизирующая

5. вводная

 

28. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Многие вещества, в частности железо, медь, алмаз, хлорид натрия, кристаллизуются в кубической системе.

1. конкретизирующая.

2. резюмирующая.

3. дублирующая.

4. иллюстрирующая.

5. вводная.

 

29. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Например, кусок смолы, положенный на плоскую поверхность, в теплом помещении за несколько недель растекается, принимая форму диска.

1. конкретизирующая.

2. резюмирующая.

3. дублирующая.

4. иллюстрирующая.

5. вводная.

 

30. Определите функцию дополнительной информации в предложении.

Аморфное состояние характерно, например, для силикатных стекол.

1. конкретизирующая.

2. резюмирующая.

3. дублирующая.

4. иллюстрирующая.

5. вводная.

 

 

Лауреаты Нобелевской премии

2002 - Джон Фенн (1/4 премии) и Коити Танака (1/4 премии) «За разработку методов идентификации и структурного анализа биологических макромолекул, и, в частности, за разработку методов масс-спектрометрического анализа биологических макромолекул»

2. Составление плана текста

Задание 70. Прочитайте еще раз теоретические сведения о плане. Что такое план? Какие виды плана существуют? Что представляет собой назывной план? Вопросный? Тезисный?

 

Составим все три вида плана уже известного нам текста «Понятие внутренней энергии вещества» по следующему алгоритму:

 ●  Делим текст на смысловые части, определяя ключевые слова каждой

смысловой части, формулируем коммуникативную задачу каждой смысловой части. Назывной план этого текста уже составлен нами в разделе «Определение основной и дополнительной информации текста». Это сформулированные в виде назывных предложений коммуникативные задачи смысловых частей текста. Таким образом, назывной план текста «Понятие внутренней энергии вещества имеет такой вид:

1. Неотъемлемая особенность протекания всех химических реакций. 

2. Понятие внутренней энергии вещества. 

3. Измерение внутренней энергии вещества. 

4. Классификация химических реакций в зависимости от динамики

внутренней энергии вещества.

●  Задаем вопрос к каждому пункту назывного плана:

1. Какова неотъемлемая особенность протекания всех химических реакций?

2. Что такое внутренняя энергия вещества?

3. Как измеряется внутренняя энергия вещества?                            

4. Какими бывают химические реакции в зависимости от динамики внутренней энергии вещества?

●  Отвечаем на вопрос, используя для ответа информацию предложений, в которых выражена коммуникативная задача смысловой части либо в соответствии со структурной схемой (моделью) предложения, по которой построен вопрос, либо в другой форме, но сохраняя  при этом смысловое содержание. В результате получаем тезисный план текста:

1. Химические реакции протекают с выделением или поглощением энергии (Как вариант: Неотъемлемая особенность протекания химических реакций такова: выделение или поглощение энергии в процессе реакции).

2. Форма энергии, скрытая в веществах и освобождающаяся при химических и некоторых физических процессах, называется внутренней энергией вещества (Как вариант: Внутренняя энергия вещества – это форма энергии, скрытая в веществах и освобождающаяся при химических и некоторых физических процессах).

3. Об изменении запаса внутренней энергии вещества мы можем судить, измеряя количество теплоты, выделившееся при реакции (Как вариант: Количество внутренней энергии вещества измеряется количеством теплоты, выделившейся при реакции).

4. Химические реакции в зависимости от динамики внутренней энергии вещества бывают экзотермическими и эндотермическими (Как вариант: Реакции, протекающие с выделением энергии, называют экзотермическими, а реакции, при которых энергия поглощается, — эндотермическими).

 

Задание 71. Прочитайте тексты. Составьте к ним  три вида плана.

 

ТЕКСТ 1

 

Вещества, не расходующиеся в результате протекания реакции, но влияющие на её скорость, называются катализаторами. Явление изменения скорости реакции под действием таких веществ называется катализом. Реакции, протекающие под действием катализаторов, называются каталитическими.

В большинстве случаев действие катализатора объясняется тем, что он снижает энергию активации реакции. В присутствии катализатора реакции проходят через другие промежуточные стадии, чем без него, причём эти стадии энергетически более доступны.

Иначе говоря, в присутствии катализатора возникают другие, активированные комплексы, причём для их образования требуется меньше энергии, чем для образования активированных комплек­сов, возникающих без катализатора. Таким образом, энергия активации реакции понижается; некоторые молекулы, энергия которых была недостаточна для активных столкновений, теперь оказываются активными.

Различают гомогенный и гетерогенный катализ. В случае гомогенного катализа катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (газ или раствор). В случае гетерогенного катализа катализатор находится в системе в виде самостоятельной фазы.

Широкое применение в химической промышленности находит гетерогенный катализ. При гетерогенном катализе реакция протекает на поверхности катализатора. Отсюда следует, что активность катализатора зависит от величины и свойств его поверхности.

 

ТЕКСТ 2

 

Алмаз – бесцветное, прозрачное вещество, чрезвычайно сильно преломляющее лучи света. Он кристаллизуется в кубической гранецентрированной решетке.  При этом одна половина атомов располагается в вершинах и центрах граней одного куба, а другая – в вершинах и центрах граней другого куба, смещенного относительно первого в направлении его пространственной диагонали. Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии гибридизации и образуют трехмерную тетраэдрическую сетку, в которой они связаны друг с другом ковалентными связями. Расстояние между атомами в тетраэдрах равно 0,154 нм.

Из всех простых веществ алмаз имеет максимальное число атомов, приходящихся на единицу объема, атомы углерода «упакованы» в алмазе очень плотно. С этим, а также с большой прочностью связи в углеродных тетраэдрах связано то, что по твердости алмаз превосходит все известные вещества.  Поэтому его широко применяют в промышленности: почти 80% добываемых алмазов используются для технических целей. Его используют для обработки различных твердых материалов, для бурения горных пород. Будучи весьма твердым, алмаз в то же время хрупок. 11. Получающийся при измельчении алмаза порошок служит для шлифовки драгоценных камней и самих алмазов. Должным образом отшлифованные прозрачные алмазы называются бриллиантами.

Ввиду большой ценности алмазов было предпринято много попыток получить их искусственным путем из графита. Однако долгое время эти попытки кончались неудачей. 15. Только в 1955 г., применив очень высокое давление и длительный нагрев при температуре около 3000°С, американским, а одновременно и шведским ученым удалось получить синтетические алмазы.

 

ТЕКСТ 3

 

Оксиды – это сложные вещества, состоящие из двух элементов, один из которых кислород (степень окисления кислорода в оксидах равна – 2.  Оксиды бывают твердые (оксид кремния, оксид алюминия), жидкие (вода, оксид серы (1V) и газообразные (оксид углерода (1V), оксид азота (1V). По химическим свойствам оксиды классифицируют на кислотные и основные.

Кислотные оксиды – это оксиды неметаллов, им соответствуют кислоты.

Основные оксиды – это оксиды металлов, им соответствуют основания.

Оксиды делят на 2 группы: несолеобразующие (их немного, например NO, CO) и солеобразующие (их подавляющее большинство).

В отличие от несолеобразующего каждому солеобразующему оксиду соответствует определенный гидроксид (основание, амфотерный гидроксид или кислота). В зависимости от этого солеобразующие оксиды подразделяют на основные, амфотерные и кислотные. Основные оксиды образованы металлами с низким значением степени окисления (+1,+2), например Na 2O, K₂O, CaO, MgO. Все основные оксиды – твердые вещества.

Кислотные оксиды могут быть образованы как неметаллами в различных степенях окисления, так и металлами только в высокой степени окисления (больше 4).

Кислотные оксиды, образованные металлами при обычных условиях, - твёрдые вещества, а образованные неметаллами – не только твердые, но и жидкие, и газообразные. Амфотерные оксиды образованы металлами, находящимися в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева либо в главных подгруппах вблизи диагонали борастат, либо в побочных подгруппах (при этом степень окисления элемента в оксиде чаще всего промежуточная). Все амфотерные оксиды – твёрдые вещества.

 

ТЕКСТ 4

Первый уровень химического знания.

Учение о составе вещества.

Учение о составе веществ является первым уровнем химических знаний. До 20-30-х гг. XIX в. вся химия не выходила за пределы этого подхода. Но постепенно рамки состава (свойств) - стали тесны химии, и во второй половине XIX в. главенствующую роль в химии постепенно приобрело понятие «структура», ориентированное, что и отражено непосредственно в самом понятии, на структуру молекулы реагента. Первый действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился в XVII в. в работах английского ученого Р. Бойля. Его исследования показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких химических элементов эти тела составлены. У Бойля наименьшими частичками вещества оказывались неосязаемые органами чувств мельчайшие частички (атомы), которые могли связываться друг с другом, образуя более крупные соединения - кластеры (по терминологии Бойля). В зависимости от объема и формы кластеров, от того, находились они в движении или покоились, зависели и свойства природных тел. Сегодня мы вместо термина «кластер» используем понятие «молекула». В период с середины XVII в. до первой половины XIX в. учение о составе вещества представляло собой всю химию того времени. Оно существует и сегодня, представляя собой первую концептуальную систему химии. На этом уровне химического знания ученые решали и решают три важнейшие проблемы: химического элемента, химического соединения и задачу создания новых материалов с вновь открытыми химическими элементами. Первое научное определение химического элемента, когда еще не было открыто ни одного из них, сформулировал английский химик и физик Р. Бойль. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и другие. Открытие французским химиком А. Л. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений об «огненной материи» (флогистоне). В Периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930-е гг. она заканчивалась ураном. В 1999 г. было сообщено, что путем физического синтеза атомных ядер открыт 114-й элемент. Долгое время химики эмпирическим путем определяли, что относится к химическим соединениям, а что - к простым телам или смесям. В начале XIX в. Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава, в соответствии с которым любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом и тем самым отличается от смесей. Теоретическое обоснование закона Пруста было дано Дж. Дальтоном в законе кратных отношений. Согласно этому закону состав любого вещества можно было представить как простую формулу, а эквивалентные составные части молекулы - атомы, обозначавшиеся соответствующими символами, - могли замещаться на другие атомы. Химическое соединение - понятие более широкое, чем «сложное вещество», которое должно состоять из двух и более разных химических элементов. Химическое соединение может состоять и из одного элемента. Это О₂, графит, алмаз и другие кристаллы без посторонних включений в их решетку в идеальном случае». Дальнейшее развитие химии и изучение все большего числа соединений приводили химиков к мысли, что наряду с веществами, имеющими определенный состав, существуют еще и соединения переменного состава - бертоллиды. В результате были переосмыслены представления о молекуле в целом. Молекулой, как и прежде, продолжали называть наименьшую частичку вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно. Но в XX в. была понята сущность химической связи, которая стала пониматься как вид взаимодействия между атомами и атомно-молекулярными частицами, обусловленный совместным использованием их электронов. На этой концептуальной основе была разработана стройная атомно-молекулярная теория того времени, которая впоследствии оказалась не в состоянии объяснить многие экспериментальные факты конца XIX - начала XX вв. Картина прояснилась с открытием сложного строения атома, когда стали ясны причины связи атомов, взаимодействующих друг с другом. В частности, химические связи указывают на взаимодействие атомных электрических зарядов, носителями которых оказываются электроны и ядра атомов.

Лауреаты Нобелевской премии